基于电位计的生物传感器进行生物标志物检测的研究进展（上篇）
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? ? 今天给大家分享一篇基于电位计的生物传感器的综述，这篇综述主要讲述的是基于电位计的生物传感器具有促进多种生物化合物检测的潜力，并有助于早期诊断各种疾病。
【背景介绍】
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? ? 基于电位计的生物传感器通常属于便携式分析类的生物传感器，用于监测人体内的生物标志物。它们包含离子敏感膜传感器（离子传感器的基本原理是离子识别，而利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电流的改变。），可用于检测钾离子、钠离子以及氯离子的活性，可以被用作衡量人类健康的生物标志物。这种基于电位的离子敏感膜系统可以与各种技术相结合，以创建一个用于快速以及早期检测癌症标志物以及其他关键生物复合物的工具。这篇文章主要探讨了基于电位的生物传感器的应用，并将它们分为四大类：光寻址电位生物传感器扩增的电位生物传感器，分子印迹聚合物系统，光电化学电位生物标记以及可穿戴电位生物标记。这篇综述证明了几种创新的基于生物传感器的技术的发展，这些技术有可能为测试生物标记物提供了可靠的工具。但是，仍然存在一些挑战，但是可以通过耦合技术消除这些挑战，以最大程度地提高测试灵敏度。
【光寻址电位生物传感器扩增的电位生物传感器】
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? ? 光寻址电位传感器 (LAPS) (Hafemanet al.,1988 年；Owicki et al., 1994) 是八十年代发展起来的一种高灵敏的新型硅基传感器，它的功能类似于化学场效应（ChemFET）而结构比较简单，它具有可寻址性以及较高的灵敏度，这些优点使得LAPS成为生物传感器装置的理想结构，广泛地应用于细胞生理研究，免疫测量及其他用途。图1展示了光寻址电位传感器用于生物传感的主要应用。这种类型的电位传感器由半导体板（通常是电阻率为 1-10 Ωcm 以及厚度为 100-400 毫米的硅）覆盖有绝缘层以及底面形成了欧姆接触。此外，LAPS系统包含了测量电子设备和光源（发光二极管）。Si3N4)、氧化铝 (Al2O3) 或五氧化二钽 (Ta2O5)。
? ? 在一些文献报道中还使用了50-100nm的绝缘层（Adami 等人，1995 年；Ismail等人，2000 年；Yoshinobu 等人，2001b)。这层表面需要与分析物进行接触，当搭配着参比电极的时候能够确定溶液中分析物的浓度。在电解质-绝缘体-半导体的设计系统中，偏差电压的应用会导致空间电荷层形成在绝缘体-半导体界面。光探头照亮了半导体，然后交流光电流是在 1-10 kHz 范围内形成。跨阻放大器发生形成了电流到电压的转换。
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? ? 最近，许多研究人员将重点放在 LAPS 在生物化合物的分析。这种类型光寻址电位传感器提供了一个强大的工具来解释单个 LAPS 板上的多个测量点。这种能力有助于测量 (1) 单个基质中的多种分析物，(2)评估多种基质中的相同分析物， (3) 评估分析物在基质中的空间分布。在这方面，Uithoven 等人报告了 LAPS 作为识别生物战剂的分析工具（Uithoven 等人，2000 年）。在他们的研究中，他们耦合了一个光寻址电位系统，具有酶联免疫的功能，能够作为一种新的生物综合检测系统，并建议在浓度104-106 cfu/mL范围内检测枯草芽孢杆菌。图 2 显示了该生物集成检测系统的示意图。（Uithoven 等，2000）。
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? ? Hu et al., (2004) 报道了一个 LAPS 用于快速分析以及检测委内瑞拉马脑炎病毒。在他们的研究中，他们使用针对委内瑞拉马脑炎病毒的单链片段可变抗体 (scFv)。免疫过滤酶测定 (IFA)在检测过程中与 LAPS 一起使用。涉及的过程包含了 VEE 的免疫复合物三明治的形成，随后相对于尿素转化为 NH3 的 pH 值的变化，含脲酶抗体-抗原夹心系统检测为分析响应， pH值的变化和电位作为时间的函数进行监测。pH变化率取决于含脲酶抗体的数量，在整个过滤以及检测的过程中抗原夹心需要固定在膜上。图 3 显示了基于IFA/LAPS系统的设计用于进行病毒的分析。结果证实了IFA/LAPS 是一种简单且高度选择性的方法，能够对实际样品中的VEE进行检测。
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? ? Jia等人进行了生物小分子以及癌细胞检测的相关研究，他们设计了一个噬菌体-LAPS的生物传感器并用于检测人的肝再生磷酸酶-3和乳腺腺癌细胞(MDAMB231)。结果表明，该系统在检测癌细胞方面表现出更多优势。该噬菌体-LAPS 生物传感器分别在测定 hPRL-3 和 MDAMB231的过程中，在0.04–400 nM 以及 0–105 mL 范围内显示出线性相关。结果还表明噬菌体-LAPS 不适合检测生物小分子。图 4 显示了噬菌体-LAPS的生物传感器的设计系统以及利用该系统用于选择性检测癌细胞。
? ? 这些光寻址电位传感器的不同设计提高了它们的选择性以及检测水平，从而达到了市场可以接受的程度。例如，Du等人设计了一个新的光寻址微流体装置作为分析敏感工具，利用该工具来感受生物组织学工程的受体细胞（Du等人，2019 年）。为了实现这个目的，Du等人使用了不同的设计并制造了该传感系统，他们构建了一个刺激室以及细胞培养微室，从而创建了一个μ-Slide Chemotaxis 3D 系统，可与 LAPS 连接，然后用于基于细胞的生物传感器。该系统已经成功的用于生物系统中生物工程味觉受体细胞的传感。这LAPS 系统与这种类型的μ-Slide Chemotaxis 3D 的组合具有单细胞水平传感的巨大潜力，这种结合数据以及整个装置的系统分别如图5以及6所示。
【光寻址电位生物传感器扩增的电位生物传感器的展望】
? ? 光寻址电位传感器（LAPS）代表了用于化学和生物传感的多功能平台。由于具有光寻址能力，因此LAPS的平坦传感器表面可以灵活地划分为区域或像素，每个区域都可以用作独立传感器，可以用各种传感材料进行修改以测量不同的离子或分子。LAPS具有电位稳定性好、响应速度快以及制作简单等优点，特别是它的光可寻址阵列特点在局部信号的测量中具有很大的优势以及灵活性，能够检测通过氧化还原反应、免疫反应以及酶促反应等引起表面电位幅值以及相位变化的各种参数，已经被广泛的应用于各种离子检测、pH检测以及细胞代谢、免疫分析以及DNA检测等。
